Physical and mechanical properties of wood-cement composites based on log rounding waste

Толық мәтін

Введение

Древесина является незаменимым строительным материалом и обладает уникальными свойствами, такими, как низкая теплопроводность, высокая прочность на сжатие, изгиб, растяжение и морозостойкость. К её недостаткам можно отнести высокое водопоглощение, низкую биологическую стойкость и горючесть материала, а к достоинствам – способность поддаваться различным видам обработки [1] и воспроизводимостью и преумножению данного ресурса при правильном ведении лесного хозяйства.

Следующим незаменимым материалом в строительстве является цемент. Данный искусственный материал уникален с точки зрения технологической доступности, эффективности, экологической безопасности, биосовместимости и природной сбалансированности [2].

Соединение положительных свойств природного и искусственного материала в одном композиционном материале позволит снизить недостатки их составляющих компонентов и улучшить их физико-механические свойства. В настоящее время промышленность выпускает достаточно большой ассортимент древесно-цементных композиций (ДЦК). К ним относятся арболит, фибролит, цементно-стружечные плиты (ЦСП), ксилолит, опилкобетон и многие другие композиционные материалы. Такое многообразие связано с интенсивным применением в качестве заполнителя самых разных отходов лесопиления и лесозаготовок и другого растительного сырья природного происхождения, ставит задачу по разработке древесно-цементных строительных материалов [3].

Путём изменения древесно-цементного отношения в композициях, степени уплотнения, вида и формы заполнения можно получить строительные материалы с различными физико-механическими свойствами [4]. Так, например, фибролит является теплозвукоизоляционным материалом со средней плотностью 300–500 кг/м³, арболит – конструкционно-теплоизоляционный материал со средней плотностью 400–850 кг/м³, ЦСП – конструкционный плитный материал, который характеризуется¹ средней плотностью 1100–1400 кг/м³.

Одним из факторов, определяющих прочность арболита, является прочность сцепления различного рода частиц в поверхностном слое, т. е. адгезионная прочность. Физико-механические свойства арболита зависят от ряда факторов технологического характера. Основными из которых являются: 1) оптимальный по прочности состав арболита, при котором достигается наибольшая прочность материала; 2) оптимальные технологические параметры обработки изделий, обеспечивающие полноту протекания химических реакций компонентов арболита. Плотность арболита зависит от плотности вяжущего и заполнителя, пористости и водотвёрдого соотношения [5]. Средняя плотность арболита при использовании в качестве заполнителя рисовой лузги, древесной дроблёнки, сечки камыша и дроблёной рисовой соломы изменяется в пределах 600–900 кг/м³, при этом арболитовые изделия по своим физико-механическим свойствам не уступают его аналогам в других странах на примере дюрисола, велокса и пилинобетона [6]. Рассматриваются варианты производства композиционных материалов с использованием таких наполнителей, как опилки, отсев, кора и скоп. В качестве связующего использовался цемент, а химическими добавками служили сернокислый алюминий и жидкое стекло. Отмечается, что наивысший предел прочности на сжатие (2,72 Мпа) проявляется у композита с наполнителем в виде древесных опилок [6]. При производстве арболита предлагается использовать: щепу, полученную из сухих кусковых отходов – 28,5 %, портландцемент – 31,8 %, воду – 39,7 % [7]. По прочности на сжатие по ГОСТ 19222-2019² полученный арболит соответствует марке М5, т. е. относится к теплоизоляционным материалам.

В результате исследования переработки сухостойной и усыхающей древесины ели бисульфитным способом установлено [8], что при усыхании значительно изменяется только содержание экстрактивных веществ. Авторы отмечают, что в усыхающей и сухостойной древесине содержание легкогидролизуемых полисахаридов и экстрактных веществ ниже, чем в здоровой древесине, что положительно сказывается на получении более прочных материалов и снижении расхода химических добавок, а переработка сухостоя положительно отразится на экологической обстановке в целом [8].

Для снижения негативного влияния сахаров, содержащихся в древесном наполнителе, на набор прочности изделий применяют добавки-минерализаторы, в основном, жидкое натриевое стекло. Суть его действия заключается в образовании плёнки вокруг древесного наполнителя для снижения влияния сахаров на цементное тесто [9].

Снижение содержания сахаров в древесине может быть выполнено в процессе предварительной термомодификации древесного наполнителя путём нагрева ВЧ-плазмой [10]. В ходе исследования было выявлено, что термомодификация древесного наполнителя не только снижает количество сахаров в древесине, но и повышает её адгезионные свойства за счёт расширения и упорядочивания пор в древесине.

При производстве термодревбетона рекомендуют использовать измельчённое древесное сырьё размером 5–40 мм, его сушку и термическую модификацию в паровоздушной среде при температуре от 140 до 240 ºС с последующей промывкой полученного материала водой и обработкой в течение не менее 30 минут в 5 % водном растворе поливинилацетатной эмульсии [11].

Влажность сухостойной древесины примерно одинакова по всей длине ствола и составляет 23–25 %, а у здоровой древесины влажность намного выше, и она увеличивается от комля к вершине. Это может положительно сказаться на сокращении времени выдержки древесного сырья для производства арболита при использовании сухостойной древесины [12].

В процессе обработки древесины на технологических линиях по производству оцилиндрованных брёвен образуются значительные, до 40 – 45 % объёма, отходы в виде измельчённой древесины. Этот объём является энергетическим ресурсом и может быть вовлечён для производства топлива [13] или в качестве наполнителя в изготовлении древесно-цементных композитов.

Таким образом, существует достаточно большое разнообразие древесных композиционных материалов, но не существует единых стандартов и рецептур по изготовлению арболита.

Цель работы – исследование физико-механических свойств древесно-цементных композитов, изготовленных с использованием сухостойной древесины.

Задачи исследования: 1) определить влияние вида наполнителя на физико-механические свойства арболита; 2) доказать или опровергнуть возможность использования отходов оцилиндровки брёвен из сухостойной древесины для изготовления арболита.

Методика и материалы исследования

При проведении исследования были использованы методы построения гипотез, анализ и синтез, натурные эксперименты, а также статистический метод обработки материала. Технические характеристики арболита определены требованиями ГОСТ 19222-2019 «Арболит и изделия из него. Общие технические условия».

Для проведения исследования изготавливался теплоизоляционный арболит с классом арболита по прочности на сжатие В0,5. Для определения прочности на сжатие изготовили четыре партии разных вариантов по пять образцов в каждой. В I варианте изготовили арболит с использованием отходов оцилиндровки брёвен из здоровой древесины в качестве наполнителя, в качестве химической добавки использовали стекло натриевое жидкое. Во II варианте изготовили арболит с использованием отходов оцилиндровки брёвен из сухостойной древесины в качестве наполнителя, в качестве химической добавки использовали хлорид кальция. В III варианте – арболит с использованием отходов оцилиндровки брёвен из сухостойной древесины в качестве наполнителя, в качестве химической добавки использовали стекло натриевое жидкое. В IV варианте – арболит с использованием отходов оцилиндровки брёвен из здоровой и сухостойной древесины в качестве наполнителя с соотношением 1:1, в качестве химической добавки использовали стекло натриевое жидкое.

Во всех вариантах в качестве древесного наполнителя использовалась отсортированная щепа без коры следующего фракционного состава: 20 мм – не более 5 %, 10 мм – не более 35 %, 5 мм – не более 60 %.

Для каждого образца арболита общий вес древесного заполнителя составил 612 г. В смесь также добавлялись химические добавки в виде хлорида кальция и жидкого натриевого стекла, общим весом 27 г для каждого образца. В качестве вяжущих материалов для изготовления арболита применяли портландцемент марки М400, общим весом 950 г для каждого образца. Также было определено оптимальное количество необходимой воды, что составило 1 л для всех вариантов опыта. Для приготовления арболитовой смеси смешивали компоненты в следующей последовательности: измельчённая древесина, химическая добавка, смешанная с водой (0,5 л), портландцемент с водой (0,5 л) и всё хорошо перемешивали.

Далее полученную смесь укладывали в металлические формы-кубы с длиной грани 150 мм. Для более однородного распределения смеси полученный состав укладывали послойно, высотой не более 5 см, с последующим уплотнением путём трамбования. Заполненные формы выдерживали в течение суток, после чего производили распалубку.

Затем образцы выдерживали в течение 28 суток в комнатных условиях при температуре 20 ± 2 °С и относительной влажности воздуха 50 ± 10 % (рис. 1).

 

Рис. 1. Образцы арболита

Fig. 1. Samples of arbolite

 

Определение усилия сжатия, при котором разрушается образец, проводилось на разрывной машине Р-10, а прочность на сжатие – по ГОСТ 10180-2012³.

Для определения влажности арболита от образца отбирается дроблёная проба, масса которой должна быть не более 200 г. Взятые пробы взвешивают. Далее пробы подвергают сушке до постоянной массы, при температуре 105 ± 2 °С. Влажность определялась по формуле:

$W=\frac{m-m_0}{m_0}\cdot \mathrm{100,}\%$

где m и m₀ – масса пробы до и после высушивания.

Оценку достоверности различий между групповыми средними плотности, предела прочности при сжатии и влажности образцов арболита проводили на основании результатов дисперсионного анализа и теста Тьюки (Tukey HSD) с доверительной вероятностью 95 % в программном комплексе SigmaPlot 14 (Systat Software Inc.).

Результаты исследований

Полученные данные исследования физико-механических свойств арболита, изготовленного по разным вариантам, приведены в табл. 1.

Арболит из смеси здоровой и сухостойной древесины с добавлением жидкого натриевого стекла (вариант 4) обладает более высокими физико-механическими свойствами, в сравнении с остальными образцами (см. табл. 1). Образцы только из сухостойной древесины с применением жидкого натриевого стекла (вариант 3), показали более высокие значения, кроме плотности, по сравнению с образцами из здоровой древесины с применением жидкого натриевого стекла (вариант 1) и образцами из сухостойной древесины с добавлением хлорида кальция (вариант 2). Самые низкие показатели выявлены у образцов арболита, изготовленного из сухостойной древесины с применением хлорида кальция (вариант 2), который по показателям плотности не соответствует ГОСТ 19222-2019, т. к. плотность меньше 500 кг/м³.

 

Таблица 1. Показатели физико-механических свойств образцов арболита по разным вариантам

Table 1. Indicators of the physical and mechanical properties of arbolite samples in relation to different experimental variants

№ обр.	Масса, г	Размеры, мм			ρ, кг/м3	Р, Н	F, мм2	Rсж, МПа	W, %
		L	B	H
Вариант 1 – Арболит из здоровой древесины с применением жидкого натриевого стекла
1	1865	142	148	150	591,61	24500	21016	1,05	3,5
2	1845	146	140	150	601,76	24400	20440	1,01	3,5
3	1900	143	150	153	578,94	27146	21450	1,14	4,9
4	1750	150	150	152	511,70	20778	22500	0,82	4,3
5	1740	147	151	155	505,74	15900	22197	0,65	4,5
Средн.	1820±31,9	145,6±1,4	147,8±2,0	152,0±0,9	557,9±20,4	22544±1945,0	21520,6±377,1	0,93±0,1	4,1±0,3
Вариант 2 – Арболит из сухостойной древесины с применением хлорида кальция
1	1455	150	149	150	434,00	15400	22350	0,68	7,33
2	1505	150	149	152	443,01	17600	22350	0,76	7,3
3	1510	152	147	152	444,60	17600	22344	0,76	7,41
4	1665	152	152	155	464,94	22600	23104	0,92	7,57
5	1480	146	154	150	438,83	15200	22484	0,67	7,4
Средн.	1523±36,8	150±1,1	150,3±1,24	151,8±0,92	445,0±5,3	17680±1333,6	22526,4±146,8	0,76±0,04	7,4±0,05
Вариант 3 – Арболит из сухостойной древесины с применением жидкого натриевого стекла
1	1720	142	150	150	538,34	20700	21300	0,97	9,6
2	1800	145	153	150	540,91	24300	22185	1,09	12,21
3	1780	150	150	150	527,41	23700	22500	1,05	10,12
4	1795	148	153	151	524,97	23100	22644	1,02	8,67
5	1830	152	147	150	546,01	22600	22344	1,01	10,92
Средн.	1785±18,1	147,4±1,78	150,6±1,12	150,2±0,20	535,5±4,03	22880±615,14	22194,6±236,4	1,03±0,02	10,30±0,60
Вариант 4 – Арболит из сухостойной и здоровой древесины в соотношении 1:1 с применением жидкого натриевого стекла
1	1810	147	145	150	566,11	28880	21315	1,35	10,8
2	1800	147	150	150	544,22	23600	22050	1,07	10,78
3	2150	152	149	153	620,46	48400	22648	2,13	10,49
4	1870	149	147	152	561,69	29600	21903	1,35	10,44
5	1750	147	148	150	536,25	24000	21756	1,07	9,87
Средн.	1876±71,1	148,4±1,0	147,8±0,9	151,0±0,6	565,7±14,7	30896±4543,8	21934±216,7	1,39±0,2	10,48±0,2

Примечание: ρ – плотность, кг/м³; Р – усилие сжатия при разрушении, Н; F – площадь поперечного сечения, мм²; Rсж – прочность на сжатие, МПа; W – влажность, %.

 

Результаты оценки достоверности различий между групповыми средними по плотности, прочности на сжатие и влажности образцов арболита приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Оценка однородности средних значений физико-механических свойств арболита

Table 2. Assessment of the uniformity of the average values of arbolite physical and mechanical properties

Варианты арболита	ρ, кг/м3	Rсж, МПа	W, %
№ 1	Х	Х	Х
№ 2	Х	Х	Х
№ 3	Х	ХХ	ХХ
№ 4	Х	Х	Х

Примечание: ρ – плотность, кг/м³; Р – усилие сжатия при разрушении, Н; F – площадь поперечного сечения, мм²; Rсж – прочность на сжатие, МПа; W – влажность, %.

 

Расположение символов «Х» в табл. 2 в одном столбце для различных вариантов исполнения композиций арболита указывает на однородность средних. На основании результатов дисперсионного анализа и теста Тьюки установлено значимое влияние состава композиции арболита на его физико-механические свойства.

По плотности по средним показателям имеет максимальное расхождение вариант 2, где использовалась сухостойная древесина с применением хлорида кальция. По показателю прочности на сжатие выявлено наибольшее отклонение средних в варианте 4. При этом в вариантах 3 и 4 средние показатели Rсж более однородны, по сравнению с другими вариантами. По влажности значимо выше показатели выявлены в вариантах 3 и 4. По показателю W максимальное отклонение имеет вариант 4.

Для проверки гипотезы о равенстве нескольких средних значений, соответствующих различным группам, которые отличаются составом древесных наполнителей, был использован способ однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). При этом для подтверждения наших суждений были обработаны только варианты 1, 3 и 4, которые отличаются только одним фактором – составом наполнителя. Во всех этих трёх вариантах использовалась одна химическая добавка – жидкое натриевое стекло. Результаты исследования приведены в табл. 3 и 4.

Отсутствие влияния типа наполнителя на плотность арболита (см. табл. 3) демонстрируют результаты однофакторного дисперсионного анализа (F_расч. (1,13) ˂ F_таб.=3,89), что доказывает возможность использования сухостойной древесины для его изготовления. Качество наполнителя на плотность арболита влияет лишь на 15,9 %, а остальные 84,1 % объясняются влиянием других факторов.

Однофакторный дисперсионный анализ также показал отсутствие влияния типа наполнителя на прочность арболита на сжатие (F_расч. (3,86) ˂ F_таб.=3,89).

Показатели влажности арболита в зависимости от типа наполнителя и химической добавки приведены на рис. 2.

 

Таблица 3. Результаты ANOVA влияния типа наполнителя на плотность арболита

Table 3. Results of ANOVA of the effect of the filler type on the density of arbolite

Источник вариации	Сумма квадратов	Число степеней свободы	Средний квадрат	Критерии Фишера		Доля влияния, %
				F-расч.	F-таб.
Вид древесного наполнителя	2461,09	2	1230,54	1,13	3,89	15,9
Прочие факторы	13025,55	12	1085,46			84,1
Итого	15486,63	14				100

 

Таблица 4. Результаты ANOVA влияния типа наполнителя на прочность на сжатие арболита

Table 4. Results of ANOVA of the effect of the filler type on the compressive strength of arbolite

Источник вариации	Сумма квадратов	Число степеней свободы	Средний квадрат	Критерии Фишера		Доля влияния, %
				Fрасч.	Fтаб.
Вид наполнителя	0,590653	2	0,295327	3,86	3,89	39,1
Прочие факторы	0,91892	12	0,076577	-	-	60,9
Итого	1,509573	14		-	-	100

 

Рис. 2. Диаграмма показателей средней влажности образцов арболита по вариантам,

где I – арболит из здоровой древесины с применением жидкого натриевого стекла; II – арболит из сухостойной древесины с применением хлорида кальция; III – арболит из сухостойной древесины с применением жидкого натриевого стекла; IV – арболит из сухостойной и здоровой древесины в соотношении 1:1 с применением жидкого натриевого стекла

Fig. 2. Diagram of the average moisture content of the arbolite samples with regard to different experimental variants: I – arbolite made from sound wood using liquid sodium glass; II – arbolite made from deadwood using calcium chloride; III – arbolite made from deadwood using liquid sodium glass;

IV – arbolite made from deadwood and sound wood in a 1:1 ratio, using liquid sodium glass

 

Для выявления зависимости плотности арболита от других факторов, в том числе и от влажности, нами был применён метод корреляционного анализа по четырём показателям объединённой выборки. Исследования показали, что плотность арболита не зависит от влажности (r=0,07), но имеет сильную корреляционную зависимость с показателем усилия сжатия при разрушении (r=0,75) и показателя прочности на сжатие (r=0,75) (табл. 5).

 

Таблица 5. Результаты корреляционного анализа

Table 5. Results of the correlation analysis

Показатели	Варианты (см. табл. 1)
	1	2	3	4
1. Плотность	1	-	-	-
2. Усилие сжатия при разрушении	0,75	1,00	-	-
3. Прочность на сжатие	0,75	0,99	1,00	-
4. Влажность	0,07	0,33	0,43	1,00

 

Минимальная влажность образцов выявлена у арболита, изготовленного из здоровой древесины с применением жидкого натриевого стекла (4,1 %) – вариант I, а максимальная влажность в III, где арболит был изготовлен из сухостойной древесины с применением жидкого натриевого стекла, и IV варианте, где использованы наполнители сухостойной и здоровой древесины в соотношении 1:1 с применением жидкого натриевого стекла.

Выводы

Арболит, изготовленный из отходов оцилиндровки брёвен сухостойной древесины в качестве наполнителя и жидкого натриевого стекла, по физико-механическим свойствам соответствует требованиям ГОСТ 19222-2019 «Арболит и изделия из него. Общие технические условия».

Для повышения прочности арболита необходимо добавлять минерализатор в виде жидкого натриевого стекла или добавлять в смесь наполнитель сухостойной и здоровой древесины в соотношении 1:1.

 

¹ Плиты цементно-стружечные. Технические условия: ГОСТ 26816-86. М.: Изд-во стандартов, 1986. 11 с.

² ГОСТ 19222-2019. Арболит и изделия из него. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2019. 34 с.

³ ГОСТ 10180 – 2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Стандартинформ, 2013. 30 с.

Авторлар туралы

Valentina Krasnova

Volga State University of Technology

Email: KrasnovVG@volgatech.net
ORCID iD: 0009-0004-4349-2049
SPIN-код: 9674-2622

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Chair of Woodworking Production

Ресей, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Vitaly Krasnov

Volga State University of Technology

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: KrasnovVG@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0003-0742-0393
SPIN-код: 3179-8907

Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Chair of Artificial Crops, Selection and Biotechnology

Ресей, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Evgeniy Sharapov

Volga State University of Technology

Email: KrasnovVG@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-6500-5377
SPIN-код: 4400-2367

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Chair of Civil Engineering and Water Supply

Ресей, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Igor Petukhov

Volga State University of Technology

Email: KrasnovVG@volgatech.net
ORCID iD: 0009-0000-2365-4857
SPIN-код: 6009-1846

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Chair of Design and Production of Computing Systems, Rector

Ресей, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Pavel Anisimov

Volga State University of Technology

Email: KrasnovVG@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-7789-2399
SPIN-код: 9087-4940

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Chair of Enterprises Power Supply

Ресей, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар